.. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
:Original: Documentation/core-api/memory-allocation.rst
:翻译:
司延腾 Yanteng Si <[email protected]>
:校译:
时奎亮 <[email protected]>
.. _cn_core-api_memory-allocation:
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内存分配指南
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Linux为内存分配提供了多种API。你可以使用 `kmalloc` 或 `kmem_cache_alloc`
系列分配小块内存，使用 `vmalloc` 及其派生产品分配大的几乎连续的区域，或者
你可以用 alloc_pages 直接向页面分配器请求页面。也可以使用更专业的分配器，
例如 `cma_alloc` 或 `zs_malloc` 。
大多数的内存分配API使用GFP标志来表达该内存应该如何分配。GFP的缩写代表
“(get free pages)获取空闲页”，是底层的内存分配功能。
（内存）分配API的多样性与众多的GFP标志相结合，使得“我应该如何分配内存？”这个问
题不那么容易回答，尽管很可能你应该使用
::
kzalloc(<size>, GFP_KERNEL);
当然，有些情况下必须使用其他分配API和不同的GFP标志。
获取空闲页标志
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GFP标志控制分配器的行为。它们告诉我们哪些内存区域可以被使用，分配器应该多努力寻
找空闲的内存，这些内存是否可以被用户空间访问等等。内存管理API为GFP标志和它们的
组合提供了参考文件，这里我们简要介绍一下它们的推荐用法:
* 大多数时候， ``GFP_KERNEL`` 是你需要的。内核数据结构的内存，DMA可用内存，inode
缓存，所有这些和其他许多分配类型都可以使用 ``GFP_KERNEL`` 。注意，使用 ``GFP_KERNEL``
意味着 ``GFP_RECLAIM`` ，这意味着在有内存压力的情况下可能会触发直接回收；调用上
下文必须允许睡眠。
* 如果分配是从一个原子上下文中进行的，例如中断处理程序，使用 ``GFP_NOWAIT`` 。这个
标志可以防止直接回收和IO或文件系统操作。因此，在内存压力下， ``GFP_NOWAIT`` 分配
可能会失败。有合理退路的分配应该使用 ``GFP_NOWARN`` 。
* 如果你认为访问保留内存区是合理的，并且除非分配成功，否则内核会有压力，你可以使用 ``GFP_ATOMIC`` 。
* 从用户空间触发的不可信任的分配应该是kmem核算的对象，必须设置 ``__GFP_ACCOUNT`` 位。
有一个方便的用于 ``GFP_KERNEL`` 分配的 ``GFP_KERNEL_ACCOUNT`` 快捷键，其应该被核
算。
* 用户空间的分配应该使用 ``GFP_USER`` 、 ``GFP_HIGHUSER`` 或 ``GFP_HIGHUSER_MOVABLE``
中的一个标志。标志名称越长，限制性越小。
``GFP_HIGHUSER_MOVABLE`` 不要求分配的内存将被内核直接访问，并意味着数据是可迁移的。
``GFP_HIGHUSER`` 意味着所分配的内存是不可迁移的，但也不要求它能被内核直接访问。举个
例子就是一个硬件分配内存，这些数据直接映射到用户空间，但没有寻址限制。
``GFP_USER`` 意味着分配的内存是不可迁移的，它必须被内核直接访问。
你可能会注意到，在现有的代码中，有相当多的分配指定了 ``GFP_NOIO`` 或 ``GFP_NOFS`` 。
从历史上看，它们被用来防止递归死锁，这种死锁是由直接内存回收调用到FS或IO路径以及对已
经持有的资源进行阻塞引起的。从4.12开始，解决这个问题的首选方法是使用新的范围API，即
:ref:`Documentation/core-api/gfp_mask-from-fs-io.rst <gfp_mask_from_fs_io>`.
其他传统的GFP标志是 ``GFP_DMA`` 和 ``GFP_DMA32`` 。它们用于确保分配的内存可以被寻
址能力有限的硬件访问。因此，除非你正在为一个有这种限制的设备编写驱动程序，否则要避免
使用这些标志。而且，即使是有限制的硬件，也最好使用dma_alloc* APIs。
GFP标志和回收行为
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内存分配可能会触发直接或后台回收，了解页面分配器将如何努力满足该请求或其他请求是非常
有用的。
* ``GFP_KERNEL & ~__GFP_RECLAIM`` - 乐观分配，完全不尝试释放内存。最轻量级的模
式，甚至不启动后台回收。应该小心使用，因为它可能会耗尽内存，而下一个用户可能会启
动更积极的回收。
* ``GFP_KERNEL & ~__GFP_DIRECT_RECLAIM`` (or ``GFP_NOWAIT`` ) - 乐观分配，不
试图从当前上下文中释放内存，但如果该区域低于低水位，可以唤醒kswapd来回收内存。可
以从原子上下文中使用，或者当请求是一个性能优化，并且有另一个慢速路径的回退。
* ``(GFP_KERNEL|__GFP_HIGH) & ~__GFP_DIRECT_RECLAIM`` (aka ``GFP_ATOMIC`` ) - 非
睡眠分配，有一个昂贵的回退，所以它可以访问某些部分的内存储备。通常从中断/底层上下
文中使用，有一个昂贵的慢速路径回退。
* ``GFP_KERNEL`` - 允许后台和直接回收，并使用默认的页面分配器行为。这意味着廉价
的分配请求基本上是不会失败的，但不能保证这种行为，所以失败必须由调用者适当检查（例
如，目前允许OOM杀手失败）。
* ``GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY`` - 覆盖默认的分配器行为，所有的分配请求都会提前
失败，而不是导致破坏性的回收（在这个实现中是一轮的回收）。OOM杀手不被调用。
* ``GFP_KERNEL | __GFP_RETRY_MAYFAIL`` - 覆盖 **默认** 的分配器行为，所有分配请求都非
常努力。如果回收不能取得任何进展，该请求将失败。OOM杀手不会被触发。
* ``GFP_KERNEL | __GFP_NOFAIL`` - 覆盖默认的分配器行为，所有分配请求将无休止地循
环，直到成功。这可能真的很危险，特别是对于较大的需求。
选择内存分配器
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分配内存的最直接的方法是使用kmalloc()系列的函数。而且，为了安全起见，最好使用将内存
设置为零的例程，如kzalloc()。如果你需要为一个数组分配内存，有kmalloc_array()和kcalloc()
辅助程序。辅助程序struct_size()、array_size()和array3_size()可以用来安全地计算对
象的大小而不会溢出。
可以用 `kmalloc` 分配的块的最大尺寸是有限的。实际的限制取决于硬件和内核配置，但是对于
小于页面大小的对象，使用 `kmalloc` 是一个好的做法。
用 `kmalloc` 分配的块的地址至少要对齐到ARCH_KMALLOC_MINALIGN字节。对于2的幂的大小，
对齐方式也被保证为至少是各自的大小。
用kmalloc()分配的块可以用krealloc()调整大小。与kmalloc_array()类似：以krealloc_array()
的形式提供了一个用于调整数组大小的辅助工具。
对于大量的分配，你可以使用vmalloc()和vzalloc()，或者直接向页面分配器请求页面。由vmalloc
和相关函数分配的内存在物理上是不连续的。
如果你不确定分配的大小对 `kmalloc` 来说是否太大，可以使用kvmalloc()及其派生函数。它将尝
试用kmalloc分配内存，如果分配失败，将用 `vmalloc` 重新尝试。对于哪些GFP标志可以与 `kvmalloc`
一起使用是有限制的；请看kvmalloc_node()参考文档。注意， `kvmalloc` 可能会返回物理上不连
续的内存。
如果你需要分配许多相同的对象，你可以使用slab缓存分配器。在使用缓存之前，应该用
kmem_cache_create()或kmem_cache_create_usercopy()来设置缓存。如果缓存的一部分可能被复
制到用户空间，应该使用第二个函数。在缓存被创建后，kmem_cache_alloc()和它的封装可以从该缓
存中分配内存。
当分配的内存不再需要时，它必须被释放。你可以使用kvfree()来处理用 `kmalloc` 、 `vmalloc`
和 `kvmalloc` 分配的内存。slab缓存应该用kmem_cache_free()来释放。不要忘记用
kmem_cache_destroy()来销毁缓存。
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